CN100451619C - 检测铌酸锂晶体极化畴反转的装置 - Google Patents

Abstract

一种检测铌酸锂晶体极化畴反转的装置，该装置采用雅敏光学平板干涉仪结构，其构成包括：一块雅敏输入光学平行平板，四个楔角很小的圆形光楔，高压输出电源，LiNbO₃晶体，一块雅敏输出光学平行平板和观察屏。通过该装置可判断LiNbO₃晶体畴反转的发生，同时在畴反转发生过程中可通过调节光路来实时检测畴反转发生的过程和相应位置。本发明装置的结构简单，易于操作，可实时观测畴反转的过程。

Description

检测铌酸锂晶体极化畴反转的装置

技术领域

本发明是一种检测铌酸锂(LiNbO₃)晶体极化畴反转的装置，主要用于观测LiNbO₃晶体的畴反转状态。

背景技术

随着周期性畴反转制备技术的发展，人们发明了许多检测畴反转发生的装置，这些检测设备都存在着实现困难或过程复杂等缺点，因此迫切需要简单实用而且操作方便的装置来弥补这些不足。

在先技术[1](参见Near-field scanning optical microscopy offerroelectric domain walls，T.J.Yang，U.Mohideen，Mool C.Gupta.Appl.Phys.Lett.，71(14)：1960-1962，1997和Dynamical Domain Observation inRelaxor Ferroelectrics，R.Ujiie，K.Uchine，IEEE ULTRASONICSSYMPOSIUM 1051-0117/90/0000-0725，1990)中所描述的利用LiNbO₃晶体的双折射性质，把晶片置于正交偏振片之间，用偏光显微镜直接观察电畴结构。这是观察静态畴结构和研究畴壁运动动力学的方法，但它一般不适用于观察反平行的畴，因为在畴反转后折射率不变。

在先技术[2](参见《周期极化铌酸锂晶体光变频器理论与应用研究》，薛挺，天津大学博士论文，2002)中所描述的是采用腐蚀技术，利用LiNbO₃在酸中被腐蚀的速度与偶极矩有关的特点，不同极性的畴被腐蚀的程度和速度不同，-C面被腐蚀得比+C面快得多。LiNbO₃晶体在HF∶HNO₃＝1∶2的溶液或纯HF酸中，室温下腐蚀几个小时，即可用普通生物显微镜直接观察，在显微镜下可观察到未腐蚀部分较亮，腐蚀部分较暗且下凹。这一方法的主要缺点是具有破坏性，腐蚀后的LiNbO₃样品表面会变粗糙，而其花费时间多。

在先技术[3](参见Nanoscale imaging of domains and domain walls inperiodically poled ferroelectrics using atomic force microscopy，J.Wittborn，C.Canalias，K.V.Rao，R.Clemens，H.Karlsson，F.Laurell，Appl.Phys.Lett.2002，80(9)：1622-1624)中所描述的利用原子力显微镜等高级实验设备对畴结构进行成像，直接观察和显示畴结构。这种设备不但昂贵，而且不方便实时检测。

在先技术[4](参见Impact of ultraviolet light on coercive field，polingdynamics and poling quality of various lithium niobate crystals fromdifferent sources，M.C.Wengler，B.Fassbender，E.Soergel，K.Buse.Journal of Applied Physics.2004，96(5)：2816-2820)中所描述的采用高精度、高灵敏微安表来实时监控畴反转过程中的极化电流，根据微安表上指示的电流就可以判断极化的程度。但是这种微安表只能简单的判断极化过程的发生与否，至于畴反转发生的位置无法确定，而且电流的微弱变化不易观察。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种检测LiNbO₃晶体发生畴反转的装置。该装置的要求是结构简单，操作方便，而且易于观测整个畴反转发生的过程。

本发明的技术解决方案是：

一种检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于该装置的构成包括：一块雅敏输入光学平板，楔角均为α的第一圆形光楔、第二圆形光楔、第三圆形光楔和第四圆形光楔，该α＜＜1°，一施加于待测LiNbO₃晶体的外接高压电源，一块输出雅敏光学平板和观察屏，所述的雅敏光学平板和输出雅敏光学平板的光束输入输出面为工作面，所述的雅敏输入光学平板和输出雅敏光学平板的工作面平行、相对并水平放置，当一光束水平地入射时，在所述的雅敏输入光学平板的反射光路上和透反射光路上分别设置第一圆形光楔和第二圆形光楔，第三圆形光楔和第四圆形光楔，在输出雅敏光学平板的反射输出的相干光路上设置观察屏。

所述的第一圆形光楔和第二圆形光楔同轴放置，无楔角的面靠在一起，放在所述的雅敏输入光学平板和输出雅敏光学平板的光路中。所述的第三圆形光楔和第四圆形光楔也同样设置。

所述的输入雅敏光学平板和输出雅敏光学平板放置角度为与水平线成45°，光线入射到输入雅敏光学平板的角度与雅敏光学平板的入射面成45°。

所述的第一圆形光楔和第二圆形光楔同轴相背放置，可分别或同步绕公共轴线转动，以绕水平轴逆时针转动为正，顺时针转动为负，转动角度分别是θ₁，-θ₂，第三圆形光楔和第四圆形光楔同轴相背放置，可分别或同步绕其公共轴线转动，转动角度分别是θ₁，-θ₂，一光束以沿水平线方向入射时，则出射光线的扫描角度δ＜＜1°，该扫描角度δ为：

$\mathrm{\δ}=2(n-1)\mathrm{\α}\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}$

其中：n为光楔折射率。

所述的观察屏上的干涉条纹的周期T与光束扫描角度δ有如下关系：

$T=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\δ}}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\δ}}$

其中：λ为入射光波长。

所述的观察屏的条纹数为每毫米不超过10对。

所述的观察屏为一般观察屏，或CCD探测器，或计算机显示屏。

待测的LiNbO₃晶体放置在两干涉光路之一路上，置于双光楔之后，光轴与入射光线平行。所述的LiNbO₃晶体外接高压电源。

本发明的技术效果：

经试用表明，本发明装置具有结构简单，操作方便，而且易于观测整个畴反转发生的过程的特点。

附图说明

图1为本发明检测LiNbO₃晶体畴反转的装置的光路结构示意图

具体实施方式

图1是检测LiNbO₃晶体畴反转的装置的光路结构示意图，由图可见，本发明检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置的构成包括：一块雅敏输入光学平板1，用于光束扫描的直径和厚度相同，楔角均为α的第一圆形光楔2、第二圆形光楔3、第三圆形光楔4和第四圆形光楔5，一施加于待测LiNbO₃晶体7的外接高压电源6，一块输出雅敏光学平板8和观察屏9，所述的雅敏光学平板的侧面为工作面，所述的雅敏输入光学平板1和输出雅敏光学平板8的工作面平行、相对并水平放置，当一光束水平面内与入射时，在所述的雅敏输入光学平板1的反射光路上和透反射光路上分别各设置一对光楔，即第一圆形光楔2和第二圆形光楔3，第三圆形光楔4和第四圆形光楔5，在输出雅敏光学平板8的反射输出的相干光路上设置所述的观察屏9。

所述的第一圆形光楔2和第二圆形光楔3同轴放置，无楔角的面靠在一起，放在所述的雅敏输入光学平板1和输出雅敏光学平板8的光路中。

所述的输入雅敏光学平板1和输出雅敏光学平板8最佳放置角度为与水平线成45°，光线入射到输入雅敏光学平板1的最佳角度是与雅敏光学平板1的入射面成45°。

所述的第一圆形光楔2和第二圆形光楔3同轴相背放置，可分别或同步绕公共轴线转动，以绕水平轴逆时针转动为正，顺时针转动为负，转动角度分别是θ₁，-θ₂，第三圆形光楔4和第四圆形光楔5同轴相背放置，可分别或同步绕其公共轴线转动，转动角度分别是θ₁，-θ₂，一光束以沿水平线方向入射时，则出射光线的扫描角度δ＜＜1°，该扫描角度δ为：

$\mathrm{\δ}=2(n-1)\mathrm{\α}\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}$

其中：n为光楔折射率。

所述的观察屏9上的干涉条纹的周期T与光束扫描角度δ有如下关系：

$T=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\δ}}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\δ}}$

其中：λ为入射光波长。

所述的观察屏9的最佳条纹数为每毫米不超过10对。

所述的观察屏9为一般观察屏，或CCD探测器，或计算机显示屏。

所述的输入雅敏平板以与水平线成45°放置，光线以与水平线垂直方向入射到输入平板，产生两平行相干光束a和b，两光束分别经过两组双光楔，两路光的各对应光楔运动方式一致，转动角度相同，初始放置位置为如图1对称放置。通过改变各光路中两光楔的相对转动角度来实现出射光束的角度δ改变，角度δ(δ＜＜1°)与观察屏9上的干涉条纹周期T的关系可描述为：

$T=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\δ}}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\δ}}$

其中：λ为入射光波长。

当a光路中第一圆形光楔2和第二圆形光楔3同轴相背放置，可分别或同步绕公共轴线转动，以绕水平轴逆时针转动为正，顺时针转动为负，转动角度分别是θ₁，-θ₂，同时反向转动相同角度θ时，光路b中作为光路补偿的第三圆形光楔4和第四圆形光楔5也必须同时反向转动相同角度θ，如此改变观察屏9上干涉条纹数目，最佳的条纹数目是在每毫米10对以内。b光路的光线通过第三圆形光楔4和第四圆形光楔5入射到LiNbO₃晶体7表面上，与晶体光轴平行，通过控制高压电源6对晶体7上半部分或下半部分电极化处理实现畴反转，光轴方向随着畴结构变化而变化，晶体发生畴反转部分的光轴与未发生畴反转部分的光轴方向相反，因此在b光路，晶体7的上下两部分光轴方向相反，对光线进行相反的相位调制，产生相反的相位延迟，此路光线经输出雅敏平板8反射，与经过输出雅敏平板折反出来的a路光产生干涉，在观察屏9上形成上下明显错开的背景干涉条纹，如此根据干涉条纹即可检测出畴反转的发生和变化过程。改变θ大小，条纹疏密程度随之变化，这样便于更清晰的观察。当单独旋转两路光中的一个光楔时，条纹疏密程度改变的同时条纹的倾斜方向也随之改变，倾斜角度

与旋转角度的关系为：

θ₁和θ₂是每路光中两块光楔各自转动的绝对角度值，在θ₁＝θ₂时，也即两光楔同步反向等角度旋转时，条纹并不产生倾斜。这样通过简单的旋转双光楔的相对角度，即可实时观察LiNbO₃晶体的畴反转。

下面给出一个最佳实例的具体设计参数：

入射光为He-Ne激光，波长λ为632.8nm，两块雅敏干涉平板长200mm，宽60mm，厚95mm，材料为K9玻璃，折射率n为1.50959，四块光楔楔角α为10′，直径D为50mm，测试的LiNbO₃晶体尺寸为16mm×16mm×0.3mm，光束a和b的扫描角度δ最大值均为3.025毫弧，观察屏9上每毫米最大条纹数9.56对，最小周期T为0.10459mm/对。

Claims (7)

1、一种检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于该装置的构成包括：一块雅敏输入光学平板(1)，楔角均为α的第一圆形光楔(2)、第二圆形光楔(3)、第三圆形光楔(4)和第四圆形光楔(5)，该α＜＜1°，一施加于待测LiNbO₃晶体(7)的外接高压电源(6)，一块输出雅敏光学平板(8)和观察屏(9)，所述的雅敏光学平板和输出雅敏光学平板的光束输入输出面为工作面，所述的雅敏输入光学平板(1)和输出雅敏光学平板(8)的工作面平行、相对并水平放置，当一光束水平地入射时，在所述的雅敏输入光学平板(1)的反射光路上和透反射光路上分别设置第一圆形光楔(2)和第二圆形光楔(3)，第三圆形光楔(4)和第四圆形光楔(5)，在输出雅敏光学平板(8)的反射输出的相干光路上设置观察屏(9)。

2、根据权利要求1所述的检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于所述的第一圆形光楔(2)和第二圆形光楔(3)同轴放置，无楔角的面靠在一起，放在所述的雅敏输入光学平板(1)和输出雅敏光学平板(8)的光路中。

3、根据权利要求1所述的检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于输入雅敏光学平板(1)和输出雅敏光学平板(8)放置角度为与水平线成45°，光线入射到输入雅敏光学平板(1)的角度是与雅敏光学平板(1)的入射面成45°。

4、根据权利要求1所述的检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于所述的第一圆形光楔(2)和第二圆形光楔(3)同轴相背放置，可分别或同步绕公共轴线转动，以绕水平轴逆时针转动为正，顺时针转动为负，转动角度分别是θ₁，-θ₂，第三圆形光楔(4)和第四圆形光楔(5)同轴相背放置，可分别或同步绕其公共轴线转动，转动角度分别是θ₁，-θ₂，一光束以沿水平线方向入射时，则出射光线的扫描角度δ＜＜1°，该扫描角度δ为：

$\mathrm{\δ}=2(n-1)\mathrm{\α}\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}$

其中：n为光楔折射率。

5、根据权利要求1所述的检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于所述的观察屏(9)上的干涉条纹的周期T与光束扫描角度δ有如下关系：

$T=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\δ}}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\δ}}$

其中：λ为入射光波长。

6、根据权利要求1所述的检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于所述的观察屏(9)的条纹数为每毫米不超过10对。

7、根据权利要求1至6任一项所述的检测铌酸锂晶体发生畴反转的装置，其特征在于所述的观察屏(9)为一般观察屏，或CCD探测器，或计算机显示屏。